Це масса одиниці об’єму поршку при його вільному насипанні.

Насипна щільність порошку

Вміст вологи визначають в процентах за формулою

X=100 % (8.2)

де m - маса порошку до висушування; m- після висушування.

Вона визначається за ГОСТ 19440-74:

, (8.3)

де - насипна щільність г/см: М- маса мірної місткості з порошком; М- маса мірної місткості, V - о’бєм мірної місткості.

1Рис. 8.3. Схема волюмометра.

1 - приймальна воронка; 2 - мала воронка; 3 - знімна місткість;

4 - опорна стінка корпусу; 5 - вiдбiйні пластини; 6 - направляюча воронка; 7 - склянка

8.6. Кут природного укосу

Кутова величина природного укосу являє собою кут, утворений поверхнею конуса вільно насипаного порошку і горизонтальною площиною в його основі.

Для більшості порошків він знаходиться в межах 25 - 70. Кут змен-шується зі зростанням текучості порошків. Мінімального значення він набуває для сферичних порошків.

На будь-яку, довільно вибрану частку порошку діє сила тягаря Р, яку можна розкласти на складові, нормальну до твірної конуса і паралельної їй. , де - коефіцієнт тертя,що дорівнює . Дійсно, з рисунків видно, що . Таким чином, кут природного укосу є також кутом тертя.

Рис. 8.4 Схема (а) утворення кута природного укосу ()

і приладів (б,в):

1 – конус; 2 – шабер; 3 – прозора стінка з кутоміром

ЛЕКЦІЯ 9. Порошки для газотермічного нанесення покриттів

Історично перший металізацiйний апарат, виготовлений в 1917р., був дротяний. У 1955 р. була зроблена спроба виготовлення керамічних дротів з органічною зв'язкою (з суміші поліетилену і полiiзобутилену). Однак цей дріт не набув широкого поширення через погіршення умов нагріву матеріалу, забруднення покриття залишками органічних речовин і великих втрат напиленого матеріалу (до 80 %).

Розроблений йому аналог гнучкий шнур, являв собою оболонку з органічного матеріалу, заповнену порошком. У процесі напилення оболонка практично повністю згоряла, не забруднюючи покриття. Однак основним матеріалом, що використовується при газополуменевому, детонаційному і плазмовому способах нанесення покрить, є порошки. У практиці напилення застосовують як однорідні порошки, так і гетерогенні складної структури, композиційні, а також механічні суміші різних порошкових матеріалів.

На частку порошків для напилення металів доводиться 6 %, сплавів - 32 %, оксидів - 10 %, тугоплавких з'єднань і твердих сплавів - 6 %, композиційних порошків -19 %, механічних сумішей - 27 %.

Великого поширення набули композиційні порошки. Вони бувають: плакованими, термореагуючими, конглемератними. Композитні порошки повинні задовольняти такі критерії:

1. Композиція повинна являти собою поєднання хоч би двох хімічно різнорідних матеріалів з чіткою границею розділу.

2. Композиція повинна мати властивості, якими не може володіти жоден з її компонентів нарізно.

9.1. Композиційні порошки

За типом будови частинок розрізнюють плаковані і конгломератні порошки. Як ядро в плакованих частинках використовують порошки карбідів, нитридів, боридів, силіцидів або оксидів заключених в металеву оболонку, що складається із заліза, нікелю, міді, кобальту, олова та інших матеріалів. На рис. 9.1 подані основні типи будови композиційних частинок.

а б в

Рис. 9.1. Основні типи будови композиційних частинок:

а - плакована частинка: 1 - ядро, 2 - оболонка; б, в - конгломератні частинки: 1 - частинка одного матеріалу, 2 - частинка іншого матеріалу

Плаковані частинки складаються з одного або декількох оболонок різних металів. Частинки композиційного конгломерованого порошку сформовані з безлічі початкових часток декількох матеріалів.

У гетеродисперсних конгломератних частинках між дисперсністю компонентів існує велика різниця. Частинки одного з них служать основою ядра, а на їхій поверхні розміщуються частки інших компонентів (рис. 9.1б). Відношення діаметрів частинок основи і інших компонентів становить 10 - 20.

Гомодисперсні конгломератні частки формуються з різних початкових компонентів з близькими розмірами частинок (рис. 9.1,б). Відношення діаметрів початкових компонентів становлять у цьому випадку 1 - 3. Комбінація цих двох основних методів дозволяє отримувати композиційні порошки змішаних типів. На рис. 9.2 представ-лені деякі з них.

Рис. 9.2 Типи змішаних структур композиційних порошків:

П - плаковані; ГДК - гетеродисперсні конгломерати; ГМК - гомодис-

персні конгломерати

При застосуванні композиційних порошків в технології газотермічного напилення мають за мету таке:

1. Використання екзотермічного ефекту компонентів (Ni – Al, Ni – Ti та ін.)

2. Рівномірний розподіл компонентів в об'ємі покриття, наприклад типу керметов (Ni – Al2O3 та ін.).

3. Захист матеріалу ядра часток від окислення або розкладання при напиленні (Co – TiC, Ni – TiC, Ni – алмаз та ін.)

4. Формування покриття з участю матеріалу, самостійно не утворюючого покриття при газотермічному напиленні (Ni - графіт).

5. Поліпшення умов формування покриттів за рахунок збільшення середньої щільності частинок, введенням компонентів з високою ентальпією.

За видом взаємодії частинок композиційні порошки поділяються на екзотермічні і термонейтральні. Характеристика їх наведена в табл. 9.1.

Таблиця 9.1.

Класифікація композиційних порошків за характером поведінки при газотермічному напиленні

Тип складу	Порошок
Термореагуючі композиції
Iнтерметалічні	(Ni)-(Al), (Ni)-(Ti), (Co)-(Al), (NiP)-(Al), (NiCr)-(Al) та інш.
Керметні	(Al)-(NiO), (Al)-(MoO3), (Al)-(WO3) та ін.
Метал – тугоплавкі сполуки	(Ti)-(SiN4), (Ti)-(SiC), (Ti)-(B4C), (Zr)-(Si3N4), (Cr)-(SiC) та ін.
Термонейтральні композиції
Керамічні і керметні	(SiO2)-(Cr2O3), (TiO2)-(Al2O3), (Ni)-(Al2O3), (Ni)-(ZrO2), (Ni)-(MgO) та ін.
Метал – тугоплавкі сполуки	(Co)-(WC), (Ni)-(WC), (Ni)-(Cr3C2), (Ni)-(TiB2), (Cu)-(SiC), (Ni)-(TiC) і інш.
Метал – твердi мастила	(Ni)-(графіт), (Ni)-(CaF2), (MoS2) та ін.
Іншi	(Ni)-(алмаз), (Cu)-(алмаз) та ін.

ЛЕКЦІЯ 10. Отримання композитних порошків

10.1. Способи отримання

Композитні порошки вже зараз становлять п’яту частину від всієї кількості порошків, що використовуються для отримання азо термічних покрить на поверхнях деталей машин і апаратів. Широка можливість варіювання їхніми властивостями і відповідно властивостями покрить роблять їх дуже перспективними. Тому можна упевнено стверджувати, що в галузях напилення і наплавлення їм належить майбутнє.

Способи отримання композиційних порошків можуть поділятися за ознакою структури частинок (плаковані, конгломеровані або їхні комбінації) і за тими методами, що використовуються для формування цієї структури.

Плакування і конгломерування принципіально різні процеси: в першому випадку забезпечується осадження шару покриття на поверхні частинок порошкового матеріалу з використанням хімічних і фізико-хімічних процесів, у другому формується зв'язок між частинками різних компонентів із застосуванням в основному фізичних і фізико-хімічних процесів.

10.2. ПЛАКУВАННЯ

Плакування дисперсних матеріалів при отриманні композиційних порошків для газотермічного напилення може бути здійснено такими основними способами:

1. З твердої фази дифузійним насиченням (наприклад боруванням часток MoSi).

2. З розплаву спільним розпиленням його зі зваженою твердою фазою (наприклад WC в розплаві NiCrSi).

3. З водних розчинів:

а) відновленням з розчинів солей воднем (наприклад осадження Ni на Al, Со на WC);

б) контактним методом з використанням реакції заміщення (наприклад, осадження нікелю на алюмінії);

в) хімічним відновленням з розчинів солей гiпофосфiтом, гiдразином;

г) електролізом (наприклад осадження нікелю, міді та інших металів на

поверхнi металевих і металізованих частинок).

4.З газової фази термічним розкладанням карбонілiв, металоорганічих сполук (МОС) тощо (наприклад, осадження нікелю з тетракарбонілу на алюміній, WC, Al2O3, графiт, BN та ін.)

5. У вакуумі випаровуванням при термічному або електронно-променевому нагріванні (наприклад осадження алюмінію на ZrO).

Першим з методів плакування дисперсних матеріалів для отримання напилюваних композиційних порошків був використаний метод відновлення нікелю або кобальту з солей воднем.

Для отримання нікель - алюмінієвого композиційного порошку застосовують метод контактного нікелювання, заснований на реакції відновлення нікеля алюмінієм:

3 NiCl+ 2 Al = 2 AlCl+ 3 Ni + Q.

Нанесення металевих покриттів на частинки порошків може бути здійснено методом випаровування і конденсації у вакуумі.

Методом хімічного відновлення отримують порошки, частинки яких плаковані оболонками з нікелю, кобальту, міді, олова, а також оболонками складного складу: нікель - фосфор, кобальт - фосфор. Найбільш простим варіантом даного методу отримання плакованих порошків є відновлення за допомогою гiпофосфіту натрію. Загальна схема процесу (для випадку осадження нікелю) має такий вигляд:

NaHPO+ HO → NaHPO+ 2H

Ni + 2H → Ni + 2H

HPO+ H → P + 2HO

Середня швидкість осадження 10 - 13 мкм/ч. Оcобливістю цього методу є паралельне з металом відновлення фосфору, що також буде осаджуватиметься в об'ємі утвореноi оболонки. Хоч його вміст дуже залежить від кислотності середовища і може регулюватися, однак отримати оболонку з чистого нікелю у цьому випадку неможливо.

Для нанесення на дисперсній матеріал методом хімічного відновлення покриття з чистого нікелю, як відновник використовують сполуку гидразину - гидразингідрат (NH2 • NH2 • H2O) або гидразин-сульфат (NH2 • NH2 • H2SO4). Швидкість осадження нікелю в цій реакції нижче. Безпосереднє плакування таким чином неметалічних матеріалів (оксидів, карбідів, боридів) неможливо, необхідне попереднє нанесення тонкого шару нікельфосфорного покриття (0,5 - 1 %).

Процес хімічного кобальтування аналогічний хімічному нікелюванню. При осадженні на поверхню частинок покриттів з міді як відновник використовують гідразин-хлорид, з олова - тіосечовину.

Електролітичний метод з точки зору промислового застосування є одним з найбільш простих і доступних. До недолiкiв його належать невисока питома продуктивність, неможливість безпосереднього плакування неелектропровідних порошків (потрібна попередня металізація іншими методами).

Метод дисоціації карбонiлiв дозволяє здійснити плакування нікелем, залізом, кобальтом і іншими металами, якi утворюютоь карбоніли, порошків металів, оксидiв, карбідів, боридiв і інших матеріалів, що допускають нагрів до температури розкладання карбонiлу 200 - 300 °С. Реакція осадження нікелю відбувається за схемою

Ni(CO)4 → Nі + 4 CO

Метод дифузійного насичення досить широко застосовується для легування різних металевих порошків, що використовуються в технології порошковоi металургії.

Широкий перелік варіантів хімико-термічної обробки металів і сплавів, який може бути використаний при створеннi композиційних порошків, що отримуються таким методом, розкриває широкі можливості розробок у цьому напрямі. Для отримання композиційних порошків методом дифузійного насичення використовують традиційну технологію із застосуванням контейнера з плавким запобіжником.

10.3. КОНГЛОМЕРУВАННЯ

Конгломератні частинки можуть бути утворені такими основними методами:

-з використанням органічних і неорганічних сполук (наприклад алюмінію з нікелем, алюмінію з NiCr, AlO3 з TiO та ін.);

-сплавленням механічних сумішей з подальшим подрібненням;

спільною деформацією (наприклад шляхом плющення механічних сумішей з подальшим подрібненням);

-методом саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу. (

Метод отримання композиційних порошків для газотермического напилення із застосуванням зв'язуючих речовин сьогодні набуває переважного розвитку. Це пов'язано насамперед з можливістю створювати таким шляхом композиції на основі комбінацій практично любих компонентів. Крім того, технологічні варіанти його здійснення відрізняються простотою і економічністю. Закордонні фірми використовують для цієї мети різні змішувачі або розпилювальні сушарки.

Для створення гетерогенних конгломерованих порошків використовують більш крупнi порошки твердих сполук (карбідів, боридів, силицидів) і дрібні порошки металів. При цьому співвідношення діаметрів частинок ядра і оболонки .

При утворенні гомогенних порошків це співідношення становить 1 - 3. Порошки змішують у певній пропорції в спеціальних змішувачах протягом декількох годин.Потім додають клей в такій кількості, щоб утворилася тістоподібна маса. У разі використання порошків металів і безкисневих сполук застосовують органичні клеї, а у разі кисневих - неорганічні. Як органичні вживають: полівінілхлоридний, поліізобути-леновий поліамідний, БФ - 6 та ін. Основним неорганичним клеєм є рідке скло (канцелярський клей).

ЛЕКЦІЯ 11. Вимоги що ставляться до порошкiв для напилення

11.1. Основні вимоги і підготовка порошків для напилення

Вимоги до порошків для газотермічного напилення складаються з основних двох положень: форма і розмір частинок мають забезпечувати, з одного боку, стабільну і регульовану подачу частинок у високотемпературний газовий струмінь, а з іншого - формування покриття із заданими експлуатаційними властивостями. Показники, що охоплюються цими вимогами, диктуються як умовами роботи живильника і пневмотранспорту, так і процесами теплообміну, газодинамики і міжфазної взаємодії в газовому струмені, які можуть бути суперечливими. Тому оптимальним рішенням в багатьох випадках є компромісне поєднання задоволення цих вимог.

Важливою підсумовуючою характеристикою порошків на стадії їхньої подачі до газового пальника або плазматрона є їхня текучість. Вона зумовлює стабільність подачі матеріалів, можливість точного регулювання витрат.

Формування частинок композиційних порошків приводить до зміни їхньої щільності і характеристик поверхні (конфігурації, коефіцієнта тертя) - чинників, що визначають текучість порошків.

Порівняння текучості різних композиційних порошків плакованого і конгломератного типу показує, що у разі використання ядер частинок неправильної форми операція як плакування, так і конгломерування вирівнює їхню поверхню і поліпшує текучість. Якщо початковим матеріалом служать частинки з формою, близькою до сферичної, то конгломерування знижує текучість таких порошків. Для забезпечення рівномірної подачі порошку бажано використовувати частинки сферичної (або сфероiдизованої) форми з незначною пористістю і розміром не менше за 10 мкм.

Вимоги до теплофізичних властивостей порошку можуть бути сформульовані, виходячи з оцінки енергетики процесу напилення. Енергетичний стан частинок в газовому струмені знаходиться в складній залежності від великої кількості параметрів. З одного боку, це характеристики самого струменя - його швидкість і температура, в'язкість і теплопровідність газового середовища, міра дисоцiацii та іонізації молекул газу, з іншого - теплофізичні властивості матеріалу частинок: густина, теплоємність, теплопровідність, теплота плавлення, а також ряд геометричних чинників - розміри частинок, їхня форма.

За характером поведінки при нагріванні у високотемпературному струмені всі композиції об'єднуються в три групи:

1. Складаються з компонентів, практично не взаємодіючих, але плавких в умовах газотермического напилення: (Ni) - (Al2Oз), (Ni) - (MgO). (Ni) - (ZrOз), (Co) - (ZrB2), (Co) - (ТiС) та ін.

2. Включають компоненти, практично не взаємодіючі в умовах напилення, причому один або декілька з них не можуть бути розплавлені: (Ni) - (графіт), (Сі) - (SiС) та ін.

3. Складаються з компонентів, створюючих квазібiнарні системи (або системи іншого типу) із зміною температури плавлення продуктів взаємодії, що залежить від складу композиції: (Сr) - (ТiС), (Сr) - (ZrС), (Сr) - (HfС) та ін.

З цього випливає, що однією з основних особливостей нагрівання частинок композиційного порошку є поява нової стадії - часткового розплавлення, коли один або декілька компонентів вже перейшли в розплавлений стан і частинки вже здатні брати участь в формуванні покриття, тоді як інші ще знаходяться в твердій фазі.

Перспективними напрямами в створенні композицій для газотермічного напилення, з точки зору поліпшення умов переходу в розплавлений стан і подальшого перегріву, є збільшення середньої густини частинок, зниження температури плавлення (за рахунок утворення евтектик або введення легкоплавких компонентів), реалізація взаємодії компонентів з екзотермічним ефектом.

Найбільш сприятливим для процесу нагрівання частинки в газовому струмені є поєднання високої густини її з малими витратами тепла струменя на розплавлення одиниці об'єму.

До числа важливих показників належить максимально можливий діаметр частинки, яка бере участь у формуванні покриття при напиленні. Вважають, що умовою цього служить перехід частинки в розплавлений стан. На основі цієї передумови створений ряд методик оцінки величини максимального діаметра частки.

Перша була запропонована Д. Машем і Н. Віром і зводилася до розв’язання задачі нестаціонарної теплопровідності в твердій фазi при початковій температурі плавлення матеріалу.

Інша методика оцінки величини максимального діаметра частинок заснована на комплексній оцінці умов як нагріву, так і руху частинок у газовому струмені і порівняння часу, необхідного для розплавлення частки, з реальним часом її перебування в зоні нагріву.

Мінімальний діаметр частинок, з одного боку, визначається умовами транспортування порошку до пальника (конструктивним рішенням вузла подачі порошку, властивостями матеріалу часток, що обумовлює схильність їх до злипання, формою частинок); з іншого - наявністю найменшого критичного розміру частинок, які здатні досягати напилюваної поверхні і, отже, брати участь в формуванні покриття (це спричинене тим, що відображений або оточуючий виріб газовий потік здатний захоплювати частинки розміром менш критичного і відносити їх, не даючи можливості досягнути поверхні підкладки). Мінімальний діаметр частинок, оцінений з цих умов, становить 1-3 мкм.

Середній розмір частинок порошків для газотермічного напилення і широта діапазону фракції, що використовується є однією з найважливіших характеристик матеріалу. Ці показники залежать від складу напилюваного матеріалу, що використовується, типу обладнання і заданих властивостей покриття.

Важливим показником якості порошків для напилення є стабільність їхнього хімічного складу. Особливо ретельно необхідно контролювати вміст вуглецю в карбідах і кількість органічної зв'язки в композиційних порошках. З домішок найбільш істотне значення має кисень, а в одержаних розпилюванням порошках - також азот і водень. У багатьох випадках потрібно оцінювати розподіл кисню між тим, що знаходиться в розчині, пов'язаним в оксиди і адсорбованим на поверхні.

11.2. Підготовка порошків для напилення

а). Сушіння порошку

Перед використанням порошків металів, сумішей, металевих сплавів, тугоплавких сполук, композиційних матеріалів їх необхідно просушити. Волога може негативно позначатися на якості покриттів. Сушіння здійснюється в сушильних шафах при температурі 130 - 150 °С протягом 3 - 5 год. Порошки сушать на деках з неіржавіючої сталі, періодично перемішуючи. Товщина шару засипки повинна бути не більше за 20 мм.

б). Прожарювання порошків

Керамічні порошковi матеріали прожарюють в електропечi при температурі 600 - 700 °С протягом 3 - 5 год. Товщина засипки шару не більше за 20 мм, використовують дека з неіржавіючої сталі.

ЛЕКЦІЯ 12. Основні типи порошків що випускаються закордонними

підприємствами для плазмового і газополуменевого напилення

12.1. Порошки металідів (ТУ 14 1 - 3282 - 81), які

випускаються підприємством Тулачермет м.Тула

Таблиця 12.1

Коротка технічна характеристика. Марки і хімічний склад

Марка	Масова частка %
Основні компоненти	Домішки, не більше за
Нікель	Титан	Алюміній	Залізо	Вуглевод	Азот
ПН70Ю30 ПН85Ю15 ПН55Т45 ПТ88Н12 ПТ65Ю35	Основа Теж Теж 10 – 12.5 -----	---------- ---------- 43 – 47 Основа Теж	28 – 33 12 – 15 --------- --------- 35.5 – 40	0.2 0.2 0.2 0.2 0.2	0.07 0.07 0.07 0.07 0.07	0.08 0.08 0.1 0.1 0.08

Гранулометричний склад порошків

За гранулометричним складом вони розділяються на 3 класи - ОМ,

М, С.

- клас ОМ містить частинки фракцій 10 - 45 мкм,

- клас М містить частинки фракцій 20 - 63 мкм або 40 - 100 мкм,

- клас С містить частинки фракцій не менше за 160 мкм.

Дата добавления: 2014-01-07